《ARM系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)》課件

第4章ARM系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1可整理ppt內(nèi)容4.1JXARM9-2410硬件組成4.2最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.3外設(shè)及系統(tǒng)總線4.4印制板的設(shè)計(jì)4.5硬件系統(tǒng)的調(diào)試2可整理ppt4.1JXARM9-2410硬件組成3可整理pptS3C2410X內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4可整理pptS3C2410X片上資源ARM920T核、工作頻率203MHz；16KB數(shù)據(jù)Cache，16KB指令Cache，MMU，外部存儲(chǔ)器控制器；LCD控制器（支持黑白、灰度、ColorSTN、TFT屏），觸摸屏接口；NANDFLASH控制器，SD/MMC接口支持，4個(gè)DMA通道；3通道UART、1個(gè)多主I2C總線控制器、1個(gè)IIS總線控制器；4通道PWM定時(shí)器及一個(gè)內(nèi)部定時(shí)器；117個(gè)通用I/O口；24個(gè)外部中斷源；兩個(gè)USB主/一個(gè)USB從；8通道10位ADC；實(shí)時(shí)時(shí)鐘及看門狗定時(shí)器等。5可整理pptS3C2410X特性內(nèi)核:1.8VI/O及存儲(chǔ)器:3.3V電源管理模式： Normal、Slow、Idle、Poweroff272-FBGA6可整理pptS3C2410X的引腳分布圖7可整理pptS3C2410X的存儲(chǔ)器映射8可整理ppt總線控制信號(hào)9可整理pptSDRAM/SRAM10可整理pptNANDFlash11可整理pptLCD控制信號(hào)12可整理ppt中斷控制信號(hào)13可整理pptDMA控制信號(hào)14可整理pptUART控制信號(hào)15可整理pptADC16可整理pptIIC-BUS控制信號(hào)17可整理pptIIS-BUS控制信號(hào)18可整理ppt觸摸屏接口控制信號(hào)19可整理pptUSB主接口信號(hào)20可整理pptUSB從接口信號(hào)21可整理pptSPI接口信號(hào)22可整理pptGPIO23可整理pptTIMER/PWM控制信號(hào)24可整理ppt復(fù)位和時(shí)鐘信號(hào)25可整理pptJTAG測(cè)試邏輯26可整理ppt電源27可整理ppt4.2最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1、一個(gè)嵌入式處理器是不能獨(dú)立工作的，必須給它供電、加上時(shí)鐘信號(hào)、提供復(fù)位信號(hào)，如果芯片沒(méi)有片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，則還要加上存儲(chǔ)器系統(tǒng)，然后嵌入式處理器才可能工作。2、這些提供嵌入式處理器運(yùn)行所必須的條件的電路與嵌入式處理器共同構(gòu)成了這個(gè)嵌入式處理器的最小系統(tǒng)。3、大多數(shù)基于ARM9處理器核的微控制器都有調(diào)試接口，這部分在芯片實(shí)際工作時(shí)不是必需的，但因?yàn)檫@部分在開(kāi)發(fā)時(shí)很重要，所以把這部分也歸入到最小系統(tǒng)中。28可整理ppt最小系統(tǒng)框圖嵌入式控制器時(shí)鐘電路調(diào)試測(cè)試接口復(fù)位電路存儲(chǔ)器電路電源電路可選，當(dāng)嵌入式處理器中無(wú)存儲(chǔ)器時(shí)，或需擴(kuò)充存儲(chǔ)器時(shí)，需加上?？蛇x，方便調(diào)試和測(cè)試，一般都加上。29可整理ppt電源電路-概述電源系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)提供能量，是整個(gè)系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，具有極其重要的地位。電源系統(tǒng)處理的好壞，將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性等。多電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、電源的分配、印制板設(shè)計(jì)中電源的設(shè)計(jì)等，都是必須考慮的。30可整理ppt電源電路-考慮的因素1.輸入的電壓范圍、電流；2.輸出的電壓、最大電流、最大功率；3.輸出紋波大??；4.安全因素；5.電池兼容和電磁干擾；6.體積要求；7.成本要求。31可整理ppt電源電路-需求分析1、一般是多電源系統(tǒng)，I/O一般為3.3V供電，內(nèi)核為2.5V（S3C44B0）、1.8V（S3C2410）或1.25V（PXA255）供電，有可能還包含5V或12V等電源；2、一般將數(shù)字電源和模擬電源分別供電；3、要求電源紋波比較小，一般采用LDO供電；32可整理ppt電源電路-芯片選型1、有很多廠家均生產(chǎn)LDODC-DC轉(zhuǎn)換芯片，如Maxim、Linear、Sipex、TI、Microchip等；2、轉(zhuǎn)換到5V的芯片有UA7805、TL750L05、LTC3425、REG1117-5等；3、轉(zhuǎn)換到3.3V的芯片有LT1083（7.5A）、LT1084（5A）、LT1085（3A）、LT1086（1.5A），REG1117-3.3等；33可整理ppt電源電路-參考電路34可整理ppt時(shí)鐘電路1、主時(shí)鐘電路2、RTC時(shí)鐘電路3、主時(shí)鐘及USB時(shí)鐘濾波時(shí)鐘電路用于向CPU及其它電路提供工作時(shí)鐘，在該系統(tǒng)中，S3C2410X使用無(wú)源晶振，晶振的接法如下圖所示主時(shí)鐘電路RTC時(shí)鐘電路主時(shí)鐘及USB時(shí)鐘濾波35可整理ppt時(shí)鐘電路1、根據(jù)S3C2410X的最高工作頻率以及PLL電路的工作方式，選擇12MHz的無(wú)源晶振。12MHz的晶振頻率經(jīng)過(guò)S3C2410X片內(nèi)的PLL電路倍頻后，可達(dá)到202.8MHz的頻率。2、片內(nèi)的PLL電路兼有頻率放大和信號(hào)提純的功能，因此，系統(tǒng)可以以較低的外部時(shí)鐘信號(hào)獲得較高的工作頻率，以降低因高速開(kāi)關(guān)時(shí)鐘所造成的高頻噪聲。36可整理ppt復(fù)位電路由RC電路及施密特觸發(fā)器組成：37可整理pptJTAG調(diào)試接口電路1、JTAG(JointTestActionGroup，聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)小組)是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議，主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真、調(diào)試。目前大多數(shù)比較復(fù)雜的器件都支持JTAG協(xié)議，如ARM、DSP、FPGA器件等。2、標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口是4線：TMS、TCK、TDI、TDO，分別為測(cè)試模式選擇、測(cè)試時(shí)鐘、測(cè)試數(shù)據(jù)輸入和測(cè)試數(shù)據(jù)輸出。3、通過(guò)JTAG接口，可對(duì)芯片內(nèi)部的所有部件進(jìn)行訪問(wèn)，因而是開(kāi)發(fā)調(diào)試嵌入式系統(tǒng)的一種簡(jiǎn)潔高效的手段。目前JTAG接口的連接有兩種標(biāo)準(zhǔn)，即14針接口和20針接口。38可整理pptJTAG調(diào)試接口電路-14針接口及定義39可整理pptJTAG調(diào)試接口電路-20針接口及定義40可整理pptJTAG接口電路設(shè)計(jì)－接口電路必須接上拉20針JTAG接口41可整理pptSDRAM接口電路設(shè)計(jì)－SDRAM簡(jiǎn)介與Flash存儲(chǔ)器相比較，SDRAM不具有掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)的特性，但其存取速度大大高于Flash存儲(chǔ)器，且具有讀/寫屬性，因此，SDRAM在系統(tǒng)中主要用作程序的運(yùn)行空間，數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，CPU首先從復(fù)位地址0x0處讀取啟動(dòng)代碼，在完成系統(tǒng)的初始化后，程序代碼一般應(yīng)調(diào)入SDRAM中運(yùn)行，以提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度，同時(shí)，系統(tǒng)及用戶堆棧、運(yùn)行數(shù)據(jù)也都放在SDRAM中。SDRAM具有單位空間存儲(chǔ)容量大和價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用在各種嵌入式系統(tǒng)中。SDRAM的存儲(chǔ)單元可以理解為一個(gè)電容，總是傾向于放電，為避免數(shù)據(jù)丟失，必須定時(shí)刷新（充電）。因此，要在系統(tǒng)中使用SDRAM，就要求微處理器具有刷新控制邏輯，或在系統(tǒng)中另外加入刷新控制邏輯電路。S3C2410X在片內(nèi)具有獨(dú)立的SDRAM刷新控制邏輯，可方便地與SDRAM接口。42可整理pptSDRAM接口電路設(shè)計(jì)－SDRAM選型1、目前常用的SDRAM為8位/16位的數(shù)據(jù)寬度，工作電壓一般為3.3V。主要的生產(chǎn)廠商為HYUNDAI、Winbond等。他們生產(chǎn)的同型器件一般具有相同的電氣特性和封裝形式，可通用。本系統(tǒng)中使用Winbond的57V561620或W982516。57V561620存儲(chǔ)容量為4組×4M字節(jié)，工作電壓為3.3V，常見(jiàn)封裝為54腳TSOP，兼容LVTTL接口，支持自動(dòng)刷新（Auto-Refresh）和自刷新（Self-Refresh），16位數(shù)據(jù)寬度。43可整理pptSDRAM接口電路設(shè)計(jì)－57V561620引腳分布44可整理pptSDRAM接口電路設(shè)計(jì)－57V561620引腳信號(hào)描述45可整理pptSDRAM接口電路設(shè)計(jì)－SDRAM接口電路46可整理pptFLASH接口電路設(shè)計(jì)－FLASH簡(jiǎn)介Flash存儲(chǔ)器是一種可在系統(tǒng)（In-System）進(jìn)行電擦寫，掉電后信息不丟失的存儲(chǔ)器。它具有低功耗、大容量、擦寫速度快、可整片或分扇區(qū)在系統(tǒng)編程（燒寫）、擦除等特點(diǎn)，并且可由內(nèi)部嵌入的算法完成對(duì)芯片的操作，因而在各種嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。作為一種非易失性存儲(chǔ)器，F(xiàn)lash在系統(tǒng)中通常用于存放程序代碼、常量表以及一些在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數(shù)據(jù)等。47可整理pptFLASH接口電路設(shè)計(jì)－FLASH選型常用的Flash為8位或16位的數(shù)據(jù)寬度，編程電壓為單3.3V。主要的生產(chǎn)廠商為INTEL、ATMEL、AMD、HYUNDAI等。本系統(tǒng)中使用INTEL的TE28F128J3A。TE28F128J3A存儲(chǔ)容量為16M字節(jié)，工作電壓為3.3V，采用56腳TSOP封裝或48腳FBGA封裝，16位數(shù)據(jù)寬度。TE28F128J3A僅需單3.3V電壓即可完成在系統(tǒng)的編程與擦除操作，通過(guò)對(duì)其內(nèi)部的命令寄存器寫入標(biāo)準(zhǔn)的命令序列，可對(duì)Flash進(jìn)行編程（燒寫）、整片擦除、按扇區(qū)擦除以及其他操作。48可整理pptFLASH接口電路設(shè)計(jì)－TE28F128J3A引腳分布49可整理pptFLASH接口電路設(shè)計(jì)－TE28F128J3A引腳信號(hào)描述50可整理pptFLASH接口電路設(shè)計(jì)－FLASH接口電路51可整理ppt4.3外設(shè)及系統(tǒng)總線S3C2410X最小系統(tǒng)+SDRAM+FLASH電路可構(gòu)成一個(gè)完全的嵌入式系統(tǒng)可運(yùn)行于SDRAM中的程序，也可以運(yùn)行FLASH中的程序程序大小可以很大，如果將程序保存到FLASH中，掉電后不會(huì)丟失，因此，既可以通過(guò)JTAG接口調(diào)試程序，也可以將程序燒寫到FLASH，然后運(yùn)行FLASH中的程序在此基礎(chǔ)上加入必要的接口及其他電路，就構(gòu)成了具體的S3C2410X應(yīng)用系統(tǒng)52可整理ppt串口接口電路設(shè)計(jì)－串口簡(jiǎn)介幾乎所有的微控制器、PC都提供串行接口，使用電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）推薦的RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)，這是一種很常用的串行數(shù)據(jù)傳輸總線標(biāo)準(zhǔn)。早期它被應(yīng)用于計(jì)算機(jī)和終端通過(guò)電話線和MODEM進(jìn)行遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸，隨著微型計(jì)算機(jī)和微控制器的發(fā)展，不僅遠(yuǎn)距離，近距離也采用該通信方式。在近距離通信系統(tǒng)中，不再使用電話線和MODEM，而直接進(jìn)行端到端的連接。RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)采用的接口是9芯或25芯的D型插頭，以常用的9芯D型插頭為例，各引腳定義下所示：53可整理ppt串口接口電路設(shè)計(jì)－串口芯片選型要完成最基本的串行通信功能，實(shí)際上只需要RXD、TXD和GND即可，但由于RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)所定義的高、低電平信號(hào)與S3C2410X系統(tǒng)的TTL電路所定義的高、低電平信號(hào)完全不同。TTL的標(biāo)準(zhǔn)邏輯“1”對(duì)應(yīng)2V～3.3V電平，標(biāo)準(zhǔn)邏輯“0”對(duì)應(yīng)0V～0.4V電平，而RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)采用負(fù)邏輯方式，標(biāo)準(zhǔn)邏輯“1”對(duì)應(yīng)-5V～-15V電平，標(biāo)準(zhǔn)邏輯“0”對(duì)應(yīng)+5V～+15V電平，顯然，兩者間要進(jìn)行通信必須經(jīng)過(guò)信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換。目前常使用的電平轉(zhuǎn)換電路為Sipex公司的SP3232E。54可整理ppt串口接口電路設(shè)計(jì)－SP3232E引腳分布55可整理ppt串口接口電路設(shè)計(jì)－串口接口電路RS232電平TTL電平56可整理pptIIC接口電路設(shè)計(jì)－IIC簡(jiǎn)介IIC總線是一種用于IC器件之間連接的二線制總線。它通過(guò)SDA（串行數(shù)據(jù)線）及SCL（串行時(shí)鐘線）兩線在連接到總線上的器件之間傳送信息，并根據(jù)地址識(shí)別每個(gè)器件：不管是微控制器、存儲(chǔ)器、LCD驅(qū)動(dòng)器還是鍵盤接口。帶有IIC總線接口的器件可十分方便地用來(lái)將一個(gè)或多個(gè)微控制器及外圍器件構(gòu)成系統(tǒng)。盡管這種總線結(jié)構(gòu)沒(méi)有并行總線那樣大的吞吐能力，但由于連接線和連接引腳少，因此其構(gòu)成的系統(tǒng)價(jià)格低，器件間總線簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，而且在總線上增加器件不影響系統(tǒng)的正常工作，系統(tǒng)修改和可擴(kuò)展性好。即使有不同時(shí)鐘速度的器件連接到總線上，也能很方便地確定總線的時(shí)鐘，因此在嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。S3C2410X內(nèi)含一個(gè)IIC總線主控器，可方便地與各種帶有IIC接口的器件相連。在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，外擴(kuò)一片KS24C08作為IIC存儲(chǔ)器。KS24C08提供1K字節(jié)的EEPROM存儲(chǔ)空間，可用于存放少量在系統(tǒng)掉電時(shí)需要保存的數(shù)據(jù)。57可整理pptIIC接口電路設(shè)計(jì)－IIC接口電路58可整理ppt4.4印刷電路板的設(shè)計(jì)S3C2410X的片內(nèi)工作頻率為60MHz，因此，在印刷電路板的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該遵循一些高頻電路的設(shè)計(jì)基本原則，否則會(huì)使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定甚至不能正常工作。印刷電路板的設(shè)計(jì)人員應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：注意電源的質(zhì)量與分配。同類型信號(hào)線應(yīng)該成組、平行分布。59可整理ppt電源質(zhì)量與分配電源濾波為提高系統(tǒng)的電源質(zhì)量，消除低頻噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，一般應(yīng)在電源進(jìn)入印刷電路板的位置和靠近各器件的電源引腳處加上濾波器，以消除電源的噪聲，常用的方法是在這些位置加上幾十到幾百微法的電容。同時(shí)，在系統(tǒng)中除了要注意低頻噪聲的影響，還要注意元器件工作時(shí)產(chǎn)生的高頻噪聲，一般的方法是在器件的電源和地之間加上0.1uF左右地電容，可以很好地濾出高頻噪聲的影響。60可整理ppt電源質(zhì)量與分配電源分配實(shí)際的工程應(yīng)用和理論都證實(shí)，電源的分配對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的影響，因此，在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，要注意電源的分配問(wèn)題。在印刷電路板上，電源的供給一般采用電源總線（雙面板）或電源層（多層板）的方式。電源總線由兩條或多條較寬的線組成，由于受到電路板面積的限制，一般不可能布得過(guò)寬，因此存在較大的直流電阻，但在雙面板得設(shè)計(jì)中也只好采用這種方式了，只是在布線的過(guò)程中，應(yīng)盡量注意這個(gè)問(wèn)題。在多層板的設(shè)計(jì)中，一般使用電源層的方式給系統(tǒng)供電。該方式專門拿出一層作為電源層而不再在其上布信號(hào)線。由于電源層遍及電路板的全面積，因此直流電阻非常的小，采用這種方式可有效的降低噪聲，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。61可整理ppt同類型信號(hào)線的分布在各種微處理器的輸入輸出